تزریق سطوح نانو ساختار

مروری بر سطوح پلیمری میکرو نانوساختار با استفاده از قالب گیری تزریقی

قالب تزریقی میکرو به دلیل کاربرد صنعتی که دارد، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. سطوح پلیمری با نانوساختارهای میکرو را می توان با استفاده از روش قالب گیری تزریقی تولید کرد. با این حال، این کار چندان آسان نیست. این مقاله در سه بخش تدوین شده است: اینسرت قالب، پارامترهای پردازش و قالب گیری. برای دستیابی به قالب گیری تزریقی بهینه، به مجموعه دقیقی از پارامترهای پردازش نیاز است. در اینجا، به بررسی توصیفی مقایسه ای تأثیرات این پارامترها بر کیفیت محصول نهایی و دقت ابعاد این محصول در پلیمرهای ترموپلاستیک و مواد پلاستیکی پرداخته می شود. همچنین به بیان پارامترهای کلیدی برای دستیابی به یک پلیمر میکرو نانوساختار با کیفیت بالا، علاوه بر اثرات متناقض این پارامترها بر محصول نهایی می پردازد. با این حال، از آنجا که محصول نهایی بایستی به درستی قالب گیری شود تا از کیفیت بالایی برخوردار باشد؛ در اینجا به تکنیک های قالب گیری مختلفی نیز اشاره شده است.

از بین تکنیک های مختلف پردازش پلیمری که برای تولید مواد با شکل و اندازه خاص به کار گرفته می شوند، قالب گیری تزریقی در سیستم های تولید انبوه تر کاربرد دارد و سال ها در صنعت پلیمر مورد استفاده قرار گرفته است. این فناوری به برخی دلایل من جمله کم هزینه بودن در ساخت قطعات پلیمری در مقادیر زیاد، شکل پذیری آسان، اتوماسیون ساده، چرخه تولید کوتاه و احتمال شکل دهی همزمان با ساختارهای سطحی در حوزه صنعت نیز کاربرد گسترده ای دارد. سطوح دارای میکرو نانوساختار و نسبت ابعاد (نسبت ارتفاع به عرض) بیش از 1:1 در مواردی همچون عایق های ضد انعکاس، سطوح ضد آلودگی، کشت سلولی، میکرو لنز، سطوح غیر انعکاسی زیستی، سطوح چسبندۀ خشک و سطوح فوق آبگریز کاربرد دارند. کاربردهای بالقوۀ این سطوح نانوساختار به سرعت رو به افزایش است که منجر به مطالعاتی با هدف استفاده از فرایند قالب گیری تزریقی در تولید سطوح با کیفیت و تا حد امکان اقتصادی می شود. فناوری قالب گیری میکرو تزریقی (μIM) با توجه به ساختار میکروی قطعات، از سه زیرشاخه مختلف تشکیل شده است:

1. قطعات با وزن میلی گرم یا کمتر

2. قطعات میکروساختار کمتر از 100 میکرومتر؛ ایجاد شده با تکنیک همانندسازی با استفاده از قالب میکرو نانوساختار

3. قطعات دارای تلرنس در محدوده میکرومتر اما بدون محدودیت ابعاد

یک تعریف کلی از قالب گیری تزریقی سطوح با میکرو نانوساختار را می توان تولید قطعات با ساختار میکرو یا نانوساختار روی سطوح در نظر گرفت. در همانندسازی خواص میکرون یا زیر-میکرون روی سطح پلیمر بایستی دقت لازم را به خرج داد. در واقع، دقت در این روند به فاکتورهای زیادی من جمله اندازه، خواص، شکل، جهت گیری نسبت به مسیر فیلر، تفاوت بین خواص و روش تزریق، و نسبت ابعاد بستگی دارد که کنترل آنها ممکن است امکان پذیر باشد/ نباشد. با این حال، شرایط پردازشِ فرایند قالب گیری تزریقی انتخابی را می توان بعنوان مهم ترین فاکتور نام برد؛ برای مثال دمای قالب، دمای مذاب، فشار نگهداری، سرعت تزریق، زمان نگهداری و ضخامت قالب قطعه.اختلاف نظر بسیاری در مورد تأثیر این پارامترها بر فرایند پردازش وجود دارد؛ به طوری که دمای قالب، فشار نگهداری و سرعت تزریق مهم ترین آنها هستند و تأثیر اجتناب ناپذیری بر کیفیت محصول نهایی دارند. قالب گیری تزریقی میکرو شامل مراحل قالب گیری معمولی می شود: مراحل پر کردن قالب، بسته بندی، خنک سازی و قالب گیری. با این حال، پر کردن حفره های قالب در این روش به اندازه پر کردن حفره های ریز پیچیده نیست. در این روش قالب گیری، ریزساختارها نه تنها به سخت شدن مذاب پلیمری کمک می کنند؛ بلکه به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم، سرعت خنک شوندگی ماده در قالب را نیز افزایش می دهند.

اگر فرض کنیم که مواد مذاب ممکن است ریزساختارها را پر کنند؛ پس از سرد شدن، جامد شوند؛ و سپس برای ایجاد یک ساختار کاملآ شبیه سازی شده روی سطح بیرونی ریخته شود. هر تغییر جزئی در فشار و سرعت تزریق می تواند کیفیت سطح را تحت تأثیر قرار دهد. با این حال، فرایند پر کردن (فیلینگ) را می توان با بهینه سازی شرایط ارتقاء داد و قالب گیری را نیز با استفاده از یک پوشش انرژیِ سطحی کم روی سطح قالب بهبود بخشید. از پلیمرهای مختلفی برای تولید قطعات میکروساختار استفاده می شود. از آنجا که پلیمرها از خواص رئولوژیکی، حرارتی، مکانیکی، الکتریکی و نوری برخوردار هستند؛ پلیمرهایی با ویسکوزیته پایین در دماهای بالا برای قالب گیری تزریقی میکرو مناسب هستند. پلیمرهای مختلفی همچون پلی استایرن (PS)، کوپلیمر الفین حلقوی (COC)، پلی متیل متاکریلات (PMMA)، پلی پروپیلن (PP)، پلی سولفون (PSU)، پلی اکسی متیلن (POM)، پلی اتیلن (PE)، پلی آمید (PA)، پلی اتر اترکتون (PEEK)، پلی کربنات (PC)، پلیمر کریستال مایع (LCP)، پلی بوتیلن ترفتالات (PBT)، اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)، پلی فنیل اتر (PPE) و لاستیک سیلیکون مایع (LSR) بعنوان مادۀ پلیمری اتصال عرضی کاربرد دارند. تا جایی که ما اطلاع داریم، مطالعات اندکی در زمینه مواد لاستیکی انجام شده است. در این مقاله، اساسآ سه مرحله از فرایند قالب گیری تزریقی میکرو نانوساختار مد نظر قرار گرفته شده است. مرحله اول، اینسرت است که در آن از مواد مختلف با توجه به مزایا و معایب آنها استفاده می شود. از آنجایی که پارامترهای پردازش مهم ترین نقش را در قالب گیری تزریقی دارند، اثرات هر یک از آنها با توجه به کیفیت قطعۀ قالب گیری شده کاملآ مورد مطالعه قرار می گیرند. همچنین، سعی شده است تا به بررسی اثرات منفی یا مثبت این پارامترها بر کیفیت محصول نیز پرداخته شود.

تقاضا برای قطعات میکرو نانوساختار به دلیل کاربردهای گسترده در حوزه های مختلف با فناوری پیشرفته به سرعت در حال افزایش است. با این حال، سیستم های تزریق میکرو نانو بعنوان یک ابزار صنعتی امیدوار کننده برای ساخت سریع و دقیق این قطعات در پاسخ به این حجم از تقاضا محسوب می شوند. در اینجا، ما جنبه های مختلف قالب گیری تزریقیِ سطوح پلیمری میکرو نانوساختار را در سه مرحلۀ اصلی اینسرت (درج یا پیش پردازش)، پردازش و قالب گیری (پس از پردازش) مورد بحث قرار داده ایم. اثرات اینسرت به ویژه اینسرت های پلیمری و ترکیبی را نیز مورد ارزیابی قرار داده ایم. اصلاح سطح یک اینسرت بایستی با شرایط مناسب پردازش با هدف ارائه محصول مورد نظر همراه باشد. همانندسازی (تکثیر) قطعات با کیفیت بالا شامل پر کردن و قالب گیری مناسب می شود که از طریق مجموعه پارامترهای پردازش با دقت انتخاب شده حاصل می شود. از طرفی، تصمیم گیری در مورد خواص مواد بکار رفته شامل فاکتورهای مختلفی من جمله نوع پلیمر، اندازه و شکل قالب، اندازه و شکل سازه ها می شود. دمای قالب، سرعت تزریق و فشار نگهداری مهم ترین فاکتورهای تأثیرگذار بر کیفیت محصول نهایی در پردازش قالب گیری تزریقی هستند. برای دستیابی به مطلوب ترین و با کیفیت ترین محصول نهایی، ارتقاء شرایط پردازش بسیار ضروری است زیرا اثرات پارامترهای کلیدی با پردازش متغیر سازگار نیستند. علاوه براین مزیت روش های مختلف قالب گیری را بایستی در فرایند تصمیم گیری و طراحی مد نظر قرار داد زیرا پس از تکمیل پردازش، باید از تکرار (همانند سازی) محصول با کیفیت اطمینان حاصل کرد.